JP6399496B2 - 偏光画像処理装置 - Google Patents
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Description
と、前記第2の偏光画像および前記第3の偏光画像の和との間の差分に基づいて、前記被写体の前記第1の面の反対側に位置する第2の面の状態を検出する処理部とを備える。
光した前記第1の照明光、および、前記第1の方向に交差する第2の方向に偏光した前記第2の照明光で、交互に、透明または半透明の被写体の第1の面側を照射する照明部と、前記被写体からの戻り光を第1、第2、第3の光に分離するスプリッタと、前記スプリッタで分離された前記戻り光の前記第1の光が入射される第1の偏光撮像素子であって、前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第1の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第2の偏光画像を取得する第1の偏光撮像素子と、前記スプリッタで分離された前記戻り光の前記第2の光が入射される第2の偏光撮像素子であって、前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第3の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第4の偏光画像を取得する第2の偏光撮像素子と、前記スプリッタで分離された前記戻り光の前記第3の光が入射される第3の偏光撮像素子であって、前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに、前記第1の方向および前記第2の方向とは異なる第3の方向に偏光した第5の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第3の方向に偏光した第6の偏光画像を取得する第3の偏光撮像素子と、前記第1、第2、および第3の偏光撮像素子から前記第2、第3、第5および第6の偏光画像を取得し、前記第5の偏光画像および前記第6の偏光画像の和と、前記第2の偏光画像および前記第3の偏光画像の和との間の差分に基づいて、前記被写体の前記第1の面の反対側に位置する第2の面の状態を検出する処理部とを備える。
被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第1の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第2の偏光画像を取得する第1の偏光撮像素子と、前記スプリッタで分離された前記戻り光の他方が入射される第2の偏光撮像素子であって、前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第3の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第4の偏光画像を取得する第2の偏光撮像素子と、前記第1および第2の偏光撮像素子から前記第1、第2、第3および第4の偏光画像を取得し、前記第1の偏光画像および前記第4の偏光画像の和と、前記第2の偏光画像および前記第3の偏光画像の和との間の差分に基づいて、前記被写体の前記第1の面の反対側に位置する第2の面の状態を検出する処理部とを備える。
画像(L90C0)および第3の偏光画像(L0C90)の和との間の差分に基づいて、被写体の状態を検出する。具体的には、透明または半透明の被写体の光入射側面と反対側に位置する面の状態を検出する。
図1は、本開示の実施形態1における画像処理方法の処理の流れを示す図である。
90C90とが取得される。
Iav(‖)=[L0C0+L90C90]/2
Iav(⊥)=[L0C90+L90C0]/2 ・・・・・・・・・(式1)
そして、このIavに対して平均化偏光差分画像Idifを生成する。
Idif=Iav(‖)−Iav(⊥) ・・・・・・・・・(式2)
Iad=[Iav(‖)+Iav(⊥)]/2=[L0C0+L0C90+L90C0+L90C90]/4
ドからの反射光も遮断される。
撮像を良好に行うことができる。ただし、偏光面を回転する照明は、ここで説明した分割光源を用いる以外でも、液晶の物性を用いる可変リターダ等の偏光移相子を用いても構わない。
図12は、本開示の第1の実施形態の変形例を示す。図1を参照して説明した実施形態では、受光側Cの偏光板の透過軸の方位が0°と90°の2種類である。この変形例では、受光側Cの偏光板の透過軸の方位が0°と45°と90°の3種類から構成されている点が異なる。すなわち、図1の実施形態では、照明の偏光方向と撮像の偏光板の偏光方向(透過軸方向)とが平行状態の画像L0C0、L90C90を平行ニコル画像として用いていたのに対して、変形例では、偏光方向が45度をなす画像L0C45、L90C45を使用する。これらの画像を「傾斜ニコル画像」と称してもよい。これにより、偏光撮像モードにおいて、被写体の表面の傾きや平面度のため、偏光差分画像内に平行ニコル画像のハレーションが多すぎる場合、それを減少させることができる。
図15は、本開示の第2の実施形態の偏光撮像方法を示す図である。本実施形態では、照明光として、直線偏光ではなく円偏光を用いている。円偏光を用いることにより、被写体表面の特定の方向の偏光特性に依存せずに雨滴を平均的に検出することができる。
1をλ/4板に通した結果、直線偏光2303に変換される場合を描いている。反時計回り円偏光2301はX軸の電場成分ExとY軸の電場成分Eyの位相について、Y軸のほうがλ/4だけX軸より遅れている。
図19は、本開示の第3の実施形態の撮像方法を示す図である。本実施形態では、照明光として、第2の実施形態と同じく円偏光を用いている。第2の実施形態と異なるのは、照明として1方向の回転の円偏光のみを用いる点である。これによって、照明部の構造を簡易にしつつ被写体表面の特定方向の偏光特性に依存せず雨滴を平均的に検出することができる。
場合、角度θ=45°の直線偏光2703に変換される場合を描いており、図21では、同じく時計回りの円偏光2701がX軸をF(Fast:進相)軸、Y軸をS(Slow:遅相)軸として位相差=λ/4に設定した可変リターダを透過した場合、角度θ=135°の直線偏光2803に変換される場合を描いている。
図23(A)は本開示の第4の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。
ージセンサ3702を備える。光源103と偏光フィルタ104とを備える照明部は、前述した他の実施形態における照明部の構成と同様の構成を有している。
図24は本開示の第4の実施形態の変形例の偏光撮像装置を示す図であり、カラー偏光イメージセンサ3702のさらに別の構成として0°/90°の2種の偏光モザイク偏光フィルタをRGBとIRの4波長帯域の層構造カラー偏光イメージセンサを示している。もとになる層構造カラーイメージセンサは、例えばMeenal Kulkarni and Viktor Gruev、"Integrated spectral-polarization imaging sensor with aluminum nanowire polarization filters",8 October 2012/Vo. 20, No. 21/OPTICS EXPRES 22997に開示されている
構造を用いればよい。本構成では、さらに通常のRGBの他にIRの画像を得る構造にしている点が特徴である。本実施形態によれば、カラー画像と偏光画像の取得を高い感度および高い解像度で実施し得る。
図25は本開示の第5の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。本実施形態では、RGBとIRの4波長帯域への色分解を4出力色分解プリズムによって実行する。本実施形態におけるカメラ3901は、光源103と偏光フィルタ104とを備える照明部については前述した他の実施形態と同じであるから以降説明は省略する。
図26は本開示の第6の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。
図29は本開示の第7の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。
イヤグリッド層4401は、ピッチが100nm程度の金属ワイヤが透明基板4402上に形成され、可視光から赤外範囲の広帯域で偏光動作を実現できる。
図32は本開示の第8の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。
2を透過しマイクロレンズアレイ4007を経由してモノクロ撮像素子4604に到達する。この際、対物レンズ上の領域の像が異なる画素に到達するため、モノクロ撮像素子4604上に形成される像は、全体としては被写体の像であるが詳細には対物レンズ上の8領域の像から成立する画像となる。
図35(A)は本開示の第9の実施形態の偏光撮像装置を示す図である。
取得画像を切り離して分離すると、解像度は1/4×1/4に低下するが、0°の偏光透過軸に対応するR、G、B、IRのカラーモザイク画像4901、4904、および90°の偏光透過軸に対応するR、G、B、IRのカラーモザイク画像4902、4903とを分離することができる。ここから、公知のカラーモザイク補間処理を行うことによりフルカラーと赤外の0°/90°の偏光画像を得ることができる。
図37は、本開示の第10の実施形態の原理を示す図である。本実施形態では、照明光として1方向に回転する円偏光を用いつつ、直線偏光を交互照射する場合と同様の画像処理を可能にしながら、照明部の構造を簡易にし、かつ4枚の異なる状態の偏光画像を時間的に同時に取得することによって画像処理を1フレーム内でリアルタイム処理することができる利点を有する。
ラ座標系X−Yにて時計回りの円偏光の照明が被写体に照射される。これを0°の直線偏光に対して+λ/4の位相変調を加えたということにする。5202の+λ/4の意味はこれを示す。
図42は、本開示の第11の実施形態の偏光撮像装置を示す図であり、第10の実施形態と同じく、照明光として1方向に回転する円偏光を用いつつ、直線偏光を交互照射する場合と同様の画像処理を可能にしながら、照明部の構造を簡易にし、かつ4枚の異なる状態の偏光画像を時間的に同時に取得することによって画像処理を1フレーム内でリアルタイム処理することができるカメラ4201を示している。第10の実施形態との相違点はλ/4板を用いる位相変調フィルタと0°/90°の2種の偏光モザイク偏光フィルタとをRGBとIRの4波長帯域のカラー撮像素子上に形成したカラー偏光イメージセンサ5602を用いる構成である。照明部については実施形態10と同じであるから以降説明は省略する。
G、B、IRの4波長のカラー画素が対応するため、4波長帯域で4種類の偏光画像を並列に取得できる。
図43(A)は本開示の第12の実施形態の偏光撮像装置を示す図であり、第10の実施形態と同じく、照明光として1方向に回転する円偏光を用いつつ、直線偏光を交互照射する場合と同様の画像処理を可能にしながら、照明部の構造を簡易にし、かつ4枚の異なる状態の偏光画像を時間的に同時に取得することによって画像処理を1フレーム内でリアルタイム処理することができるカメラ5200を示している。第10の実施形態との相違点はλ/4板を用いる位相変調フィルタ5206と0°/90°の2種の偏光モザイク偏光フィルタ5207は、対物レンズ4004の開口部上に設置され、撮像面上にマイクロレンズアレイ4007とR、G、B、IRの4波長帯域画素を有するカラー撮像素子302が一体成型されたマイクロレンズアレイ型カラーイメージセンサ4303を用いて色分解と偏光撮像を行うことである。円偏光の照明部については前述した他の実施形態と同じであるから以降説明は省略する。被写体上の1点4006から発散した戻り光は、対物レンズ4004上の4領域を透過する。図では2領域のみを記載している。対物レンズを透過した光は、マイクロレンズアレイ4007を経由してカラーモザイクを設置したカラー撮像素子302に到達する。この際、対物レンズ上の領域の像が異なる画素に到達するため、カラー撮像素子302上に形成される像は、全体としては被写体の像であるが詳細には異なる4領域の像から成立する画像となり、さらに各領域は、カラー撮像素子上のカラーモザイク2×2画素に対応している。
ワイヤ長は撮像素子の画素サイズに等しく典型的には1〜3μmである。このような微細サイズではたとえワイヤグリッド個々の金属線のピッチは微細であってもワイヤグリッド長さや繰り返し本数が制限されるため偏光板としての消光比性能は10:1程度に低下するとされている。本実施の形態では、レンズ開口部のサイズである0.5mm=500μm程度の比較的大判のワイヤグリッド偏光板を用いることができ、100:1程度の高い消光比を実現することができ、性能上極めて有利となる。
図45(A)は本開示の第13の実施形態の偏光撮像装置を示す図であり、第10の実施形態と同じく、照明光として1方向に回転する円偏光を用いつつ、直線偏光を交互照射する場合と同様の画像処理を可能にしながら、照明部の構造を簡易にし、かつ4枚の異なる状態の偏光画像を時間的に同時に取得することによって画像処理を1フレーム内でリアルタイム処理することができるカメラ5001を示している。第10の実施形態との相違点は、入射光をR、G、B、IRの4種類の波長帯域に分割する4色分割プリズム3902を有し、その色光を、図45(B)で示す、λ/4板を用いる位相変調フィルタモザイク5206と0°/90°の2種の偏光モザイク偏光フィルタ5207とモノクロ撮像素子5208が積層されたモノクロ偏光イメージセンサ5002を用いて色分解と偏光撮像を行うことである。図45(C)のように、モノクロ撮像素子5208の2×2画素領域に4種類の偏光フィルタ領域が重なっているため、画素の再集積によって4種類の偏光画像を同時に取得できる。円偏光の照明部については前述した他の実施形態と同じであるから以降説明は省略する。4種類のイメージセンサによって取得される4種類の偏光画像については第13の実施形態と同一であるから省略する。
図46(A)は本開示の第13の実施形態の偏光撮像装置の変形例を示す図であり、第10の実施形態と同じく、照明光として1方向に回転する円偏光を用いつつ、直線偏光を交互照射する場合と同様の画像処理を可能にしながら、照明部の構造を簡易にし、かつ4枚の異なる状態の偏光画像を時間的に同時に取得することによって画像処理を1フレーム内でリアルタイム処理することができるカメラ5101を示している。第10の実施形態との相違点は、プリズムと偏光フィルタの役割を入れ替え、プリズム5102によって入射光を同じ波長分布を有する4種類の光W1、W2、W3、W4に分割し、図46(B)で示すλ/4板を用いる位相変調フィルタと0°/90°の2種の偏光フィルタとが積層された偏光フィルタを透過させ、R、G、B、IRの4種類の波長モザイクフィルタを有する単板カラーイメージセンサ110を用いて色分解と偏光撮像を行うことである。図46(C)のように単板カラーイメージセンサの全領域にぞれぞれの種類の偏光フィルタ領域が重なっているため4種類の偏光画像を同時に取得できる。
102 制御装置
103 光源
104 偏光板
105 偏光照明光
106 光源制御信号線
107 戻り光
108 対物レンズ
109 ビームスプリッタ
110、111 単板カラー撮像素子
112 照明・撮像同期部
113、114 偏光板
115、116 平均化された平行ニコル画像または平均化された直交ニコル画像
117 差分方向信号
126 偏光差分生成部
118 表示部
Claims (1)
- 第1の照明光の照明光軸と第2の照明光の照明光軸が偏光画像処理装置の撮像光軸に対して略同軸であって、第1の方向に偏光した前記第1の照明光、および、前記第1の方向に交差する第2の方向に偏光した前記第2の照明光で、交互に、透明または半透明の被写体の第1の面側を照射する照明部と、
前記被写体からの戻り光を受光する前記第1の方向の偏光を透過するフィルタ、および、前記第1の方向に交差する第2の方向の偏光を透過するフィルタが配列された偏光モザイクアレイ、および、各偏光子を透過した光を受けて信号を出力する光検知素子アレイを有する撮像素子と、
前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第1の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第1の方向に偏光した第2の偏光画像を取得し、
前記被写体が前記第1の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第3の偏光画像を取得し、かつ、前記被写体が前記第2の照明光で照射されているときに前記第2の方向に偏光した第4の偏光画像を取得し、
前記第1の偏光画像および前記第4の偏光画像の和と、前記第2の偏光画像および前記第3の偏光画像の和との間の差分に基づいて、前記被写体の前記第1の面の反対側に位置する第2の面の状態を検出する処理部と、
を備える偏光画像処理装置。
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